长期偏载作用下的钢管混凝土拱桥设计与结构安全稳定性研究

发布时间：2017-08-07 16:12

  本文关键词：长期偏载作用下的钢管混凝土拱桥设计与结构安全稳定性研究

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【摘要】：随着我国海上原油运输量的增加,钢管混凝土拱桥在原油码头桥梁建设中应用越来越多,原油码头钢栈桥不但承担输油管道荷载,同时也承担着简单的交通车辆荷载,两种荷载处于横向非对称状态,使得钢管混凝土拱桥长期承受着偏载作用。因此对该类桥梁的设计就提出了新的要求,对其进行理论设计和结构稳定方面的研究有着非常重要的工程指导意义。本文以我国营口港仙人岛港区2#原油码头钢管混凝土拱桥为工程背景,利用Midas Civil软件,建立有限元分析模型,对结构进行设计验算和动力特性分析;通过对该桥输入不同方向的地震波,进行抗震验算分析,评价其抗震能力;对该钢管混凝土拱桥的稳定性影响因素进行研究,尤其是对横撑的布置方式进行了不同设计方案的对比计算分析,提出了合理的布置方式;进行了实桥试验测试,将荷载试验结果与理论计算值进行了对比分析,验证评估了桥梁结构的安全性和可靠性。为此类钢管混凝土拱桥在安全性、可靠性和稳定性设计及结构分析方面提供借鉴和参考,具有广泛的工程指导意义。通过分析研究,本文得出以下结论和建议:(1)经验算,主要受力构件拱肋、系杆、吊杆的强度和刚度,整体稳定性均满足相关的设计规范。从动力特性分析和抗震验算分析结果可以看出,结构的动力参数,动刚度和动应力满足相关规范要求。在竖桥向地震波作用下,单向活动铰处支座水平位移较大,建议设置防震挡块。(2)钢管混凝土拱桥的面外失稳先于面内失稳。由于偏载作用,失稳模态都有向右侧弯曲或向右侧扭转的趋势。拱肋刚度、系杆刚度、吊杆刚度对钢管混凝土拱桥的稳定系数影响依次减小,系杆刚度和吊杆刚度主要影响钢管混凝土拱桥的面内稳定,横撑主要影响钢管混凝土拱桥的面外稳定。(3)通过对不同的横撑布置方式验算对比分析,结果表明,“X”型撑和“K”型撑对钢管混凝土拱桥横向稳定性影响显著,明显优于“Ⅰ”型撑。端横撑和拱顶横撑的刚度对稳定系数的贡献显著。进行钢管混凝土拱桥的横撑设计时,应综合考虑横撑的类型和位置,对不同类型的横撑组合使用,才能使横撑充分发挥作用。(4)理论计算值与荷载试验实测值对比分析表明,偏载作用下,管道侧的应力和位移均较行车道侧大,结构处于偏压状态。但桥梁结构整体静力和动力性能良好,说明该桥设计计算方案合理、可靠。该设计方案对同类型桥梁设计、施工具有借鉴和工程指导意义。(5)由于长期偏载作用,在设计荷载下,右侧拱肋最大组合应力比左侧大12.3%,右侧拱肋最大位移比左侧大6.6%;在地震波作用下,右侧拱肋最大位移比左侧大19.3%,右侧拱肋最大组合应力比左侧大23.5%;在荷载试验最不利工况作用下,左右侧最大的挠度、应变和吊杆索力值均差异较大。右侧最大索力值比左侧大42.4%;右侧最大挠度测值比左侧大55.6%;右侧最大应变测值比左侧大65.0%。该桥处于的明显的偏载作用,建议对此类型桥梁设计时,主要受力构件拱肋、系杆、吊杆左右侧可采用不同的刚度,可以适当节约成本。
【关键词】：钢管混凝土拱桥 长期偏载 设计验算 稳定性分析 荷载试验
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U448.22
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 研究的背景和意义11-12
• 1.2 钢管混凝土拱桥的发展12-13
• 1.3 钢管混凝土拱桥的研究现状13-14
• 1.4 本文的研究内容14-15
• 第二章 钢管混凝土拱桥的设计计算15-39
• 2.1 钢管混凝土拱桥的桥梁原型15-17
• 2.1.1 工程概况15
• 2.1.2 设计参数15-16
• 2.1.3 设计规范及规程16-17
• 2.2 钢管混凝土拱桥的计算模型17-19
• 2.2.1 有限元模型17
• 2.2.2 材料特性17-18
• 2.2.3 截面几何特性18-19
• 2.2.4 计算模型简化19
• 2.3 钢管混凝土拱桥的设计验算19-37
• 2.3.1 设计的一般规定19
• 2.3.2 作用效应组合19-20
• 2.3.3 钢管混凝土拱桥的设计计算方法20-22
• 2.3.4 正常使用极限状态计算22-30
• 2.3.5 承载能力极限状态计算30-37
• 2.4 小结37-39
• 第三章 钢管混凝土拱桥动力特性与结构抗震分析39-52
• 3.1 动力特性分析39-42
• 3.1.1 计算原理39
• 3.1.2 自振特性分析39-42
• 3.2 桥梁抗震响应分析方法42-43
• 3.3 反应谱分析43-50
• 3.3.1 动力平衡方程43
• 3.3.2 设计参数43
• 3.3.3 支座的模拟43-45
• 3.3.4 抗震分析结果45-50
• 3.4 小结50-52
• 第四章 钢管混凝土拱桥的稳定性分析52-70
• 4.1 结构稳定问题概述52
• 4.2 结构稳定问题的分类52
• 4.3 结构的稳定安全系数计算52-55
• 4.3.1 稳定安全系数的求解52-54
• 4.3.2 成桥阶段稳定计算54-55
• 4.4 拱桥稳定性影响因素分析55-68
• 4.4.1 拱肋刚度对稳定性的影响55-58
• 4.4.2 系杆刚度对稳定性的影响58-61
• 4.4.3 吊杆刚度对稳定性的影响61-63
• 4.4.4 横撑布置对稳定性的影响63-68
• 4.5 小结68-70
• 第五章 实桥测试与理论计算结果对比分析70-78
• 5.1 荷载试验结果与理论计算值对比70-77
• 5.1.1 静载试验结果与理论计算值对比70-74
• 5.1.2 动载试验检测结果与理论计算值对比74-77
• 5.2 小结77-78
• 结论与建议78-80
• 参考文献80-83
• 附录：钢管混凝土拱桥实桥试验测试方案与试验结果83-101
• 攻读学位期间取得的研究成果101-102
• 致谢102

【参考文献】

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本文编号：635528